北京理工大学吴川/白莹/赵然：解锁可充电钙电池潜力——正极材料的设计新思路

第一作者：韩晓敏、王藜桦

通讯作者：赵然*，吴川*，白莹*

单位：北京理工大学

随着全球能源危机和环境问题的日益严峻，开发高效、低成本且环境友好的大规模储能技术已成为迫切需求。可充电钙电池（RCBs）凭借钙元素在地壳中极高的丰度（第五大元素）、低廉的成本以及多电子转移带来的高理论能量密度潜力，是具有高竞争力的储能技术之一。然而，由于钙离子（Ca2+）具有较大的离子半径（1.00 Å）和较高的电荷密度，其在正极材料中的扩散动力学缓慢，且容易引起强静电相互作用导致晶格坍塌，严重阻碍了RCBs的实用化进程。在此背景下，深入理解各类正极材料的储钙机制，并通过结构设计优化其电化学性能，对于推动RCBs的发展至关重要。

近日，来自北京理工大学的赵然副研究员、吴川教授、白莹教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Unlocking the Potential of Cathode Materials in Rechargeable Calcium Batteries: Structural Design and Electrochemical Mechanisms”的综述文章。该文章梳理了RCBs正极材料的发展现状，分析了金属硫化物、金属氧化物、普鲁士蓝类似物、聚阴离子化合物及有机分子五大核心材料体系的优缺点与适用场景。深入解析了各类正极材料的晶体结构演变、储钙机制以及电化学行为，揭示了Ca2+在固体电极中的迁移路径与动力学瓶颈。并创新性地提出了涵盖结构工程、微观电子调控、电解液溶剂化优化及界面设计的协同改性策略，为下一代高性能RCBs正极的设计提供了明确的理论指导。

从20世纪60年代初的概念探索，到2016年室温下可逆钙沉积/剥离这一重大突破的实现，再到近年来新型电解液及多种正极体系的快速涌现，这篇综述系统梳理了可充钙电池（RCBs）技术从理论探索逐步走向实际应用的发展历程。

针对Ca2+二价特性带来的挑战，文章将现有正极材料划分为五大类，并概括了各自的优缺点。硫化物容量高但电压低且易发生多硫化物溶解；氧化物电压高但面临高扩散势垒；聚阴离子化合物框架稳定但导电性差；普鲁士蓝类似物具有开放通道但受制于结构水缺陷；有机材料结构可调，但易溶于电解液。

在总结归纳上述几种主要正极材料的应用现状及其存在的挑战后，为了跨越材料层面的限制并实现RCBs的高能量密度与长寿命，文章指出可以采取多维度的协同优化策略，包括材料结构调控、微观电子调控、溶剂化结构优化、正极/电解液界面设计等方法。

Unlocking the Potential of Cathode Materials in Rechargeable Calcium Batteries: Structural Design and Electrochemical Mechanisms

吴川，北京理工大学教授，入选国家高层次领军人才、英国皇家化学会会士、教育部新世纪优秀人才、北京市科技新星、北京市优秀人才；入选世界前2%顶尖科学家榜单、ScholarGPS全球前0.05%顶尖科学家榜单、科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔中国高被引学者。长期从事先进能源材料的研究工作，主要关注能量储存与转体系及其关键材料，包括锂/钠/铝/锌/钙等金属离子电池以及相关电池新体系；开展多电子反应电极材料、新型储能材料、洁净能源催化剂的制备、界面、构效关系研究。作为负责人主持了国家973课题、国家重点研发政府间国际科技创新合作专项等科研项目；牵头获得中国发明协会发明创业奖创新一等奖，荣获中国产学研合作促进奖；任Science伙伴期刊Energy Material Advances副主编，入选中国科技期刊卓越行动计划优秀主编。

白莹，北京理工大学教授，博士生导师，入选英国皇家化学会会士、教育部新世纪优秀人才、科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔中国高被引学者。曾任美国劳伦斯伯克利国家实验室访问学者、美国阿贡国家实验室访问科学家。主要从事先进二次电池关键材料研究，包括锂/钠/锌/铝离子电池氧化物、聚阴离子型、硅基、碳基等电极材料、凝胶态与固态电解质，以及电极与电解液界面稳定性、电池热分析与热安全等基本科学问题。作为负责人主持了国家863课题、国家重点研发项目课题、国家重大专项课题、国家自然科学基金等科研项目。牵头获得中国商业联合会科学技术一等奖、中国发明协会创业奖创新二等奖。

赵然，北京理工大学副研究员，长期从事新型二次储能体系研究。迄今发表学术论文44篇，其中以第一/通讯作者身份在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Prog. Mater. Sci.等国际顶尖期刊发表SCI论文28篇，3篇入选ESI高被引。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目，并作为核心骨干参与国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划、广东省重点领域研发计划以及美国能源部、国家科学基金会、化学学会、陆军研究实验室等多项国内外重大科研项目。多次在国际学术会议作报告，现任Energy Mater. Adv.青年编委，获2023年度中国商业联合会科学技术奖一等奖（主要完成人之一）。

韩晓敏，北京理工大学材料学院2022级博士，导师为吴锋教授，专业为储能材料科学与技术，2022年获得北京理工大学硕士学位，2019年获得中南大学学士学位。研究方向为多价离子电池电解质和高性能正极材料的设计。